Б) и в). U-образные характеристики синхронного двигателя  б) 

И различные режимы его работы в).

Электрические машины постоянного тока

Электрические машины служат для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) и электрической в механическую (электродвигатели).

Устройство машины постоянного тока МПТ

Электрическая машина состоит из двух частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора (якоря) (рис. 4.1). Статор 1 представляет собой полый стальной цилиндр, на внутренней поверхности которого укреплены главные полюсы 2.

На полюсах располагаются одна или несколько обмоток возбуждения 3. Обмотки возбуждения с большим числом витков тонкого провода и значительным сопротивлением имеют выводы с обозначениями Ш1 и Ш2 (шунтовая обмотка), а обмотки возбуждения с малым числом витков толстого провода и малым сопротивлением – выводы с обозначениями С1 и С2 (сериесная обмотка). Между главными полюсами находятся добавочные полюсы 4, которые по размеру меньше главных. На этих полюсах размещена обмотка добавочных полюсов 5 с небольшим числом витков толстого провода, малым сопротивлением и выводами с обозначениями Д1 и Д2.

В машинах большой мощности полюсные наконечники главных полюсов имеют пазы, в которых укладывается компенсационная обмотка 6 с небольшим числом витков толстого провода, малым сопротивлением и выводами с обозначениями К1 и К2.

Мощность на возбуждение магнитного поля машины составляет от 0,5 до 5% её номинальной мощности.

Якорь 7 барабанного типа представляет собой зубчатый цилиндр, укреплённый на валу машины, который собран из тонких изолированных друг от друга лаком листов электротехнической стали с пазами на наружной поверхности, в которые укладывается обмотка якоря 8. Обмотка якоря выполняется из медного изолированного провода в виде секций. Секции обмотки укладываются в пазы в два слоя (двухслойная обмотка), соединяются друг с другом и образуют замкнутую обмотку, которая разделяется щётками на определённое число параллельных ветвей. Количество ветвей определяется типом обмотки.

Рис. 4.1. Устройство машины постоянного тока: 1 – статор; 2 – главные полюсы; 3 – обмотки возбуждения; 4 – добавочные полюсы; 5 – обмотка добавочных полюсов; 6 – компенсационная обмотка; 7 – якорь; 8 – обмотка якоря; 9 – коллектор; 10 - щетки

Различают параллельные (петлевые) и последовательные (волновые) обмотки. Петлевые обмотки имеют число параллельных ветвей, равное числу пар полюсов машины, а волновые образуют одну пару параллельных ветвей.

Рис. 4.2.  Обмотки якоря: а – петлевая; б – волновая

Независимо от типа обмотки якоря – петлевой или волновой – она образует замкнутую цепь, разделённую группами неподвижных графитных, угольно-графитных, медно-графитных или бронзо-графитных щёток 10, прижимаемых пружинами к коллектору.

Коллектор 9, к которому присоединяется секции обмотки якоря, состоит из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга и вала. Коллектор позволяет выпрямлять переменный ток, образующийся в проводниках обмотки якоря в постоянный для внешней цепи, если машина работает в режиме генератора и изменять направление тока в проводниках якоря двигателя для создания однонаправленного механического момента.

Совокупность коллектора и щёток создаёт скользящий контакт с вращающейся обмоткой якоря и служит при генераторном режиме для выпрямления ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, а при двигательном режиме обеспечивает постоянное направление вращающего момента.

Щётки устанавливаются на геометрических нейтралях, которые расположены перпендикулярно к магнитным силовым линиям основного поля машины, чтобы они присоединялись к тем секциям обмотки якоря, проводники которых не пронизываются магнитным полем.

На валу машины со стороны, противоположной коллектору, укреплён вентилятор для охлаждения машины в процессе её работы.

Режим генератора

В режиме генератора якорь машины постоянного тока вращается первичным двигателем,  а  обмотка   возбуждения   включается  в  сеть  постоянного  тока  (рис 4.3 а).

Рис. 4.3.  Режим генератора: а – схема включения; б – схема, поясняющая принцип работы.

Рассмотрим физические процессы на примере одного проводника обмотки якоря, находящегося в магнитном поле с индукцией В, образованного током возбуждения Iв.

При вращении якоря в проводнике, движущихся со скоростью образуется ЭДС , где - длина проводника. Направление ЭДС определяется правилом правой руки.

Таким образом, в проводниках, расположенных под северным полюсом (рис. 4.1) при вращении якоря по часовой стрелки образуются ЭДС, обозначенные крестиком, а под южным полюсом – точкой. Так как все проводники соединены последовательно и согласно, то эти ЭДС складываются, а общая ЭДС между щётками будет равна сумме элементарных ЭДС в одной параллельной ветви (рис. 4.4).

где w - угловая скорость вращения якоря (рад/с или ); Ф - магнитный поток под одним полюсом (Вб);  - безразмерный коэффициент, зависящий от числа проводников N обмотки якоря, числа пар полюсов р и числа пар параллельных ветвей а. По 2-му закону Кирхгофа для цепи нагрузки:                                                     

Рис. 4.4.  Образование ЭДС в генераторе постоянного тока

Напряжение на зажимах якоря меньше ЭДС на величину падения напряжения в обмотке якоря.

На ток в магнитном поле действует сила (закон Ампера). Направление этой силы fэм определяется правилом левой руки. Как видно из рис. 4.3 эта сила направлена в сторону, противоположную движению проводника. Суммарное действие этих сил создаёт электромагнитный момент который направлен против вращения якоря. Это означает, что электромагнитный момент в генераторе является тормозным.

Если увеличить электрическую нагрузку (уменьшить сопротивление R), то с возрастанием тока увеличивается тормозной электромагнитный момент, и для вращения генератора необходимо увеличить вращающий момент первичного двигателя.

На холостом ходу (внешнее сопротивление отключено) ток якоря равен нулю, следовательно, тормозной электромагнитный момент не возникает, и первичный двигатель будет создавать небольшой вращающий момент, который должен преодолеть только механический момент трения.

Если левую и правую части уравнения электрического равновесия умножить на ток Iя , то получим энергетическое равновесие:

или                                                    

где  - механическая мощность приводного двигателя, Pэл – полезная электрическая мощность нагрузки, ∆P – потери мощности в обмотке якоря.

Электрическая полезная мощность нагрузки равна затраченной механической мощности первичного двигателя за вычетом потерь мощности в обмотке якоря.

Коэффициент полезного действия генератора .